精密星歷與廣播星歷下C級GPS網(wǎng)解算精度分析

徐東彪,劉豪杰,范朋飛,劉朋俊,姚家俊

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州450003;2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津300251)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)(GPS)星歷文件按照精度可分為精密星歷、快速星歷和廣播星歷．通常廣播星歷的獲取可以直接通過GPS接收機接收衛(wèi)星的導(dǎo)航電文經(jīng)過解碼獲得衛(wèi)星星歷,而精密星歷則是國際GNSS服務(wù)機構(gòu)(IGS)提供,它們在獲取方式,更新率,精度及時延方面有所不同,具體情況如表1所示．

表1 GPS星歷參數(shù)表

目前工程中多采用廣播星歷進行D、E級網(wǎng)短基線數(shù)據(jù)處理．在不考慮客觀因素對基線解算精度影響的前提下,采用廣播星歷進行中長基線計算引起的誤差遠大于采用精密星歷的誤差[1-2],對于高等級高精度的GPS控制網(wǎng)而言,采用廣播星歷引起的軌道誤差不容忽視．運用GAMIT/GLOBK進行軟件解算數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,準(zhǔn)備文件繁多,工程勘測單位往往不具備這樣的條件,然而精密星歷是根據(jù)GPS跟蹤網(wǎng)的觀測數(shù)據(jù)進行擬合得到的,通常兩周之后才在IGS網(wǎng)站上下載到,工程建設(shè)中這是嚴(yán)重制約條件,雖然目前IGS提供的快速星歷在一般情況下也能代替精密星歷進行解算[3],但就工程勘測單位來說,下載數(shù)據(jù)和預(yù)處理等步驟還是會給項目帶來不必要的麻煩.因此，加載廣播星歷進行高等級高精度GPS控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理精度是否可靠成為需要探討的問題．

1 TBC加載精密星歷與廣播星歷數(shù)據(jù)處理

通常TBC加載精密星歷文件處理GPS數(shù)據(jù)時, 要先在IGS服務(wù)中心下載所需要的精密星歷文件(*.sp3)并做數(shù)據(jù)預(yù)處理,在導(dǎo)入野外測站數(shù)據(jù)的同時可將精密星歷文件導(dǎo)入工程,在具體解算基線時將設(shè)置改為廣播星歷或者精密星歷進行數(shù)據(jù)處理[4-6],具體流程如圖1 所示．

圖1 TBC加載精密星歷文件與廣播星歷文件處理流程圖

2 GAMIT+COSAGPS數(shù)據(jù)處理

2.1 GAMIT 基線解算

GAMIT軟件是由美國麻省理學(xué)院(MIT)和斯克利普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合開發(fā)的用于定位和定軌的GPS數(shù)據(jù)分析軟件包.從1987年起,軟件正式移植到了Unix的平臺下進行數(shù)據(jù)處理,目前在Unix/Linux操作系統(tǒng)下均可進行高精度GPS數(shù)據(jù)處理分析[7]．GAMIT軟件在利用精密星歷和高精度起算點的情況下,連續(xù)時段靜態(tài)定位和長基線處理解算相對精度能夠達到10-8～10-9左右,解算短基線的精度可以達到1 mm精度,在大地測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛．該軟件不僅精度高,功能強大,并且科研單位可以免費申請獲取軟件,軟件更大的特點是開放源代碼,對于大部分科研工作者來說可以自行根據(jù)需要修改源程序,進行人工干預(yù)進行數(shù)據(jù)處理,在科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛．

GAMIT軟件是由許多功能不同的模塊組成,這些模塊可以單獨運行:

1)ARC(軌道積分);

2)MODEL(求偏導(dǎo)數(shù),生成觀測方程);

3)SINCLN(單差自動修復(fù)周跳);

4)DBLCLN(雙差自動修復(fù)周跳);

5)CVIEW(人工交互式修復(fù)周跳);

6)CFMRG(為SOLVE創(chuàng)建一個M文件,定義和選擇有關(guān)參數(shù));

7)SOLVE(利用雙差觀測值進行最小二乘法求解參數(shù));

8)輔助模塊等．

GAMIT基于最小二乘算法,考慮了潮汐、大氣、章動極移等多項改正,并將測站的相對位置、軌道和地球自轉(zhuǎn)參數(shù)以及天頂對流層延遲等諸多參數(shù)一起反復(fù)迭代平差估計,因而可以獲得高精度的基線解算結(jié)果[7-14]．

2.2 COSAGPS平差處理

COSAGPS是武漢大學(xué)自主研制的GPS數(shù)據(jù)平差軟件,操作簡便易學(xué),在同步環(huán)閉合差,異步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線限差分析方面具有無可比擬的優(yōu)勢．

3 工程實例

為了滿足治黃需要,在國家GPS控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上,對黃河托克托以下河段平面控制基礎(chǔ)進行加強與完善,為該重點區(qū)域的各項治黃工作提供系統(tǒng)統(tǒng)一、精度可靠、使用方便的平面控制基準(zhǔn),建立黃河托克托以下重點區(qū)域GPS控制網(wǎng),使該區(qū)域的平面控制基準(zhǔn)統(tǒng)一至2000國家大地坐標(biāo)系,更好地使現(xiàn)行坐標(biāo)系與歷史測繪成果進行聯(lián)系對接,為本區(qū)域內(nèi)治黃工作提供支撐．本區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃、設(shè)計、防洪減災(zāi)、工程建設(shè)、科學(xué)研究、淤積測驗、水土保持、信息化建設(shè)、決策管理等工作,都需要系統(tǒng)統(tǒng)一和高精度的平面基準(zhǔn)框架的支撐．

項目采用分級布網(wǎng)模式,首先B級控制網(wǎng)利用國家B級觀測墩73座,埋設(shè)B級觀測墩83座．控制點編號自北向南、自西向東依次為2001～2156．C級控制網(wǎng)利用國家B級觀測墩23座,陜西省C級點38座,山西省C級點13座,河南省C級點17座,山東省C級點33座,黃河干流禹門口以下GPS網(wǎng)點31座,古賢C 級點32座,水準(zhǔn)點21座,水利樞紐施工控制網(wǎng)點10座,共利用老點218座,新埋設(shè)C級點202座．C級網(wǎng)采用同步環(huán)邊連接靜態(tài)相對定位作業(yè)模式．C級網(wǎng)自北向南、自西向東共布設(shè)主點210點,聯(lián)測B級網(wǎng)點26點,與210個C級網(wǎng)主點布設(shè)成大地四邊形或三角形網(wǎng)．

本文研究采用黃河山東入?？诤佣慰刂凭W(wǎng)數(shù)據(jù)進行計算分析,控制網(wǎng)布設(shè)網(wǎng)形圖如圖2所示.

由圖2可以看出本測段中含有23個GPS測站點,其中包含3座B級GPS起算點(同時期觀測解算)以及20座C級GPS點,最短基線邊長約5 km,最長基線邊長約44 km,平均邊長約20 km．由于IGS基準(zhǔn)站選取的點位分布的差異,數(shù)量及觀測時間等的不同都將會產(chǎn)生不同的影響[14],因此根據(jù)我國GPS連續(xù)運行站分布,下載覆蓋項目區(qū)域所需的IGS連續(xù)運行觀測站精密星歷數(shù)據(jù)進行后期數(shù)據(jù)處理．

圖2 黃河托克托以下重點區(qū)域C級GPS控制網(wǎng)某測段點位分布圖(黃河入海口段)

分別利用GAMIT數(shù)據(jù)處理軟件和TBC 2.8軟件進行基線數(shù)據(jù)處理,在進行TBC基線解算時分別采用精密星歷和廣播星歷解算,將各軟件不同模式下解算基線結(jié)果進行比對分析(隨機抽取78條基線),統(tǒng)計結(jié)果如表2所示．

表2 不同軟件基線計算結(jié)果統(tǒng)計分析表

基線名稱(觀測)TBC+精密星歷橢球距離/mTBC+廣播星歷橢球距離/mGAMIT基線解算結(jié)果橢球距離/mGAMIT-精密星歷結(jié)果A/mmGAMIT-廣播星歷結(jié)果B/mm精密星歷-廣播星歷/mm|A|-|B|基線名稱(觀測)TBC+精密星歷橢球距離/mTBC+廣播星歷橢球距離/mGAMIT基線解算結(jié)果橢球距離/mGAMIT-精密星歷結(jié)果A/mmGAMIT-廣播星歷結(jié)果B/mm精密星歷-廣播星歷/mm|A|-|B| 1111X.420X.417X.42010.13.13-35015X.227X.228X.23598.97.9-11 1218X.399X.397X.40637.39.32-25113X.827X.827X.844517.517.500 1318X.397X.394X.40306.09.03-35217X.137X.136X.14235.36.31-1 148X.729X.727X.73445.47.42-25310X.076X.077X.095719.718.7-11 1519X.976X.974X.98195.97.92-25413X.841X.841X.84736.36.300 1619X.969X.967X.97394.96.92-25517X.138X.136X.13991.93.92-2 1723X.109X.108X.11627.28.21-15610X.091X.09X.09281.82.81-1 1822X.977X.973X.9692-7.8-3.8445743X.524X.525X.4961-27.9-28.9-1-1 1935X.583X.579X.5817-1.32.74-15817X.241X.241X.261120.120.100 2022X.979X.975X.9765-2.51.5415918X.898X.899X.919621.620.6-11 2115X.889X.887X.89283.85.82-26018X.465X.466X.4631-1.9-2.9-1-1 2223X.818X.816X.82193.95.92-26126X.992X.99X.9910-1.01.020 2336X.988X.984X.9815-6.5-2.5446228X.644X.645X.6413-2.7-3.7-1-1 2419X.823X.821X.82592.94.92-26311X.388X.389X.3826-5.4-6.4-1-1 2523X.819X.816X.82728.211.23-3642X.705X.707X.7015-3.5-5.5-2-2 2611X.917X.919X.934517.515.5-226523X.783X.784X.7791-3.9-4.9-1-1 2714X.999X.997X.009410.412.42-26621X.437X.438X.4335-3.5-4.5-1-1 2814X.991X.99X.009318.319.31-16723X.766X.771X.76721.2-3.8-5-3 2919X.566X.564X.5605-5.5-3.5226817X.580X.581X.5792-0.8-1.8-1-1 3030X.946X.947X.9443-1.7-2.7-1-16914X.943X.945X.9408-2.2-4.2-2-2 3116X.720X.719X.72959.510.51-17018X.947X.948X.9459-1.1-2.1-1-1 3216X.723X.724X.733710.79.7-117114X.939X.937X.93920.22.22-2 3314X.413X.412X.4128-0.20.81-17217X.244X.247X.2413-2.7-5.7-3-3 3413X.839X.838X.84768.69.61-17317X.237X.241X.2347-2.3-6.3-4-4 3515X.798X.797X.809611.612.61-17422X.986X.987X.9825-3.5-4.5-1-1 364X.785X.784X.79126.27.21-1757X.946X.948X.9453-0.7-2.7-2-2 3724X.696X.692X.69620.24.24-47631X.842X.845X.8396-2.4-5.4-3-3 389X.245X.245X.258813.813.8007712X.456X.457X.4536-2.4-3.4-1-1 3920X.383X.382X.38926.27.21-17813X.781X.783X.7791-1.9-3.9-2-2

注：TBC+精密星歷一列中X前數(shù)字代表基線千米數(shù),例如20X代表20 km以上基線．

根據(jù)表1計算出來的對比數(shù)據(jù)進行深層次分析,分別將GAMIT軟件解算基線結(jié)果與TBC精密星歷模式下以及廣播星歷模式下解算成果進行統(tǒng)計分析,按照較差(單位mm)小于-10,(-10,-5], (-5,0),0, (0,5), [5,10),大于10等幾個區(qū)間分布統(tǒng)計如表3所示．從較差分布上并未發(fā)現(xiàn)兩種星歷計算結(jié)果分布有任何明顯區(qū)別,但是GAMIT與精密星歷的較差成果平均值明顯優(yōu)于廣播星歷．

表3 GAMIT與精密星歷/廣播星歷基線解算較差統(tǒng)計表

隨后,基于表1做統(tǒng)計分析,即將GAMIT與精密/廣播星歷的較差絕對值進行比對,發(fā)現(xiàn)了明顯存在的情況如表4所示,從統(tǒng)計表可以清晰地看出,精密星歷解算的基線成果明顯與GAMIT軟件解算的較為接近,呈明顯的規(guī)律性,即精密星歷下解算的基線成果精度更好,平均值已經(jīng)達到了1 mm,并且隨著基線邊長的增加,15 km以下邊長無明顯趨勢,但是在基線邊長超過20 km以上則呈現(xiàn)3、4 mm的絕對值較差．

表4 精密星歷與廣播星歷與GAMIT解算成果較差比較表

由于TBC軟件中不具備同步環(huán)、異步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線限差檢驗功能,因此分別將精密星歷下解算基線文件與廣播星歷下解算基線文件導(dǎo)出ASCII格式基線文件,然后導(dǎo)入COSAGPS v5.2平差軟件中進行同步環(huán)閉合差,異步環(huán)閉合差以及重復(fù)基線限差檢驗,各項指標(biāo)均滿足《全球定位系統(tǒng)測量規(guī)范》(GB/T 18314-2009)[15]要求后,利用B級網(wǎng)中3個B級GPS數(shù)據(jù)作為平差起算點,在CGCS 2000坐標(biāo)系下進行約束平差后比對分析如表5所示．

表5 平差結(jié)果對比表

從不同星歷解算基線在同一軟件中用相同起算點進行約束平差后發(fā)現(xiàn),精密星歷與廣播星歷下分別解算的基線經(jīng)平差處理后的成果幾乎無差異,因此兩種星歷下解算的結(jié)果均是滿足C級GPS控制網(wǎng)解算要求的．

4 結(jié)束語

通過黃河托克托以下重點區(qū)域GPS控制網(wǎng)測量實際項目數(shù)據(jù)處理與分析結(jié)果可以看出,在TBC精密星歷模式和廣播星歷模式解算下均能達到滿足規(guī)范要求的C級GPS成果,在以后的C級GPS控制網(wǎng)項目中均可采取兩種星歷模式進行數(shù)據(jù)解算．但是通過與GAMIT解算基線成果進行比對與統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),兩種星歷模式下解算的結(jié)果與GAMIT基線解算結(jié)果無明顯趨勢傾向,但是在精密星歷模式下解算基線值更為接近GAMIT的解算結(jié)果,在本項目基線長度的C級網(wǎng)中可以看到明顯優(yōu)于1 mm的解算精度．通過上述兩種較差絕對值比對分析,再根據(jù)基線長度進行統(tǒng)計,隨著基線邊長的增長,TBC與GAMIT成果存在趨勢性,從本項目基線長度變化帶來的影響可以看出,隨著邊長的逐步增大,兩者絕對值較差越大,在20 km左右長度以上的基線達到了3、4 mm的差值．綜上所述,精密星歷下在TBC軟件中解算的基線精度更為準(zhǔn)確可靠．